CC BY
47
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.787:539.319
В. С. Вакулюк, В. А. Кирпичев, В. Ф. Павлов, В. П. Сазанов
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ ПОВЕРХНОСТНО УПРОЧНЕННЫХ ОБРАЗЦОВ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЙ
Изучено влияние глубины надреза и степени концентрации напряжений на предел выносливости поверхностно упрочненных образцов из стали 20 в зависимости от характера распределения остаточных напряжений поверхностного слоя. Установлено, что для прогнозирования приращения предела выносливости за счет поверхностного упрочнения наиболее оправдано использование критерия среднеинтегральных остаточных напряжений. Поверхностное упрочнение; глубина надреза; степень концентрации напряжений, остаточные напряжения, прогнозирование предела выносливости; среднеинтегральные остаточные напряжения
В исследовании изучалось влияние таких концентраторов напряжений как напрессованная втулка и надрезов различного радиуса при поверхностном пластическом деформировании образцов из стали 20 (ов = 522 МПа, от = = 395 МПа, 5 = 26,1%, у = 65,9 %, & = = 1416 МПа) на предел выносливости при изгибе. Гладкие образцы диаметром 25 мм подвергались пневмодробеструйной обработке (ПДО) дробью диаметром 1,5-2 мм при давлении воздуха 0,25 МПа в течение 10 минут, а также обкатке роликом (ОР) диаметром 60 мм и профильным радиусом 1,6 мм при усилии Р = = 0,5 кН и ,Р=1,0кН с подачей 0,11 мм/об и скоростью вращения образца 400 об/мин. Затем на часть упрочненных и неупрочненных гладких образцов диаметром 25 мм наносились круговые надрезы полукруглого профиля трех радиусов: Я = 0,3 мм, Я = 0,5 мм и Я =1,0 мм. Оставшаяся часть упрочненных и неупрочненных гладких образцов использовалась для испытаний на усталость с напрессованной втулкой.
Остаточные напряжения в гладких образцах определялись экспериментально методом колец и полосок [1]. Распределение осевых о: остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя а гладких образцов приведено на рис. 1. В гладких образцах после ПДО толщина поверхностного слоя с сжимающими остаточными напряжениями составила 0,32 мм, после ОР при Р = 0,5 кН - 0,52 мм, при Р = 1,0 кН - 0,70 мм.
Из данных рис. 1 следует, что после нанесения на упрочненные ПДО образцы надрезов с радиусами Я = 0,3 мм и Я = 0,5 мм материал на дне концентраторов находился в ненаклепан-
ном состоянии. Такое же состояние наблюдалось после нанесения на упрочненные обкаткой роликом образцы при Р = 0,5 кН надрезов с радиусом Я = 0,5 мм. Для образцов с надрезами Я = 1,0 мм во всех случаях упрочнения материал на дне концентраторов находился в ненакле-панном состоянии.
В остальных случаях обкатки роликом материал на дне надрезов находился в наклепанном состоянии (Р = 0,5 кН - Я = 0,3 мм; Р = = 1,0 кН - Я = 0,3 мм и Я = 0,5 мм). В случае напрессованной втулки для двух вариантов упрочнения образцов роликом материал в опасном сечении находился в наклепанном состоянии.
Рис. 1. Осевые а, остаточные напряжения в упрочненных гладких образцах после:
1 - ПДО; 2 - ОР ,Р = 0,5 кН; 3 - ОР,
Р= 1,0 кН
Остаточные напряжения в упрочненных образцах с надрезами определялись аналитическим методом - суммированием дополнительных остаточных напряжений за счет перераспределения остаточных усилий при нанесении надреза и остаточных напряжений гладких об-
Контактная информация: ззашйіззаи.га
разцов [2], а также численным методом с использованием программного комплекса Каз1;гап\ Ра1гап. Следует отметить, что остаточные напряжения в образцах с надрезом, определенные аналитическим и численным методами, имели хорошее совпадение. Распределение осевых а2 остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя а наименьшего сечения образцов приведено на рис. 2, 3.
Анализируя данные рис. 1-3, можно видеть, что при практически одинаковых максимальных остаточных напряжениях гладких образцов, в образцах с надрезом одного радиуса остаточные напряжения тем выше, чем больше толщина поверхностного слоя гладких образцов с сжимающими остаточными напряжениями. Эта закономерность объясняется концентрацией остаточных напряжений в области дна надреза в результате его нанесения на предварительно упрочненную поверхность.
Необходимо обратить внимание на величину наибольших сжимающих остаточных напряжений на дне надреза, достигающих при Я = 0,3 мм - 908 МПа (ОР, Р = 1,0 кН), которая превышает не только предел текучести, но и предел прочности материала образцов. Наблюдаемому явлению дано объяснение в работе [3], в которой показано, что наибольшая величина сжимающих остаточных напряжений в упрочненном поверхностном слое при плоском напряженном состоянии может превышать даже сопротивление разрыву £к материала детали на 15%. Этот предел в исследуемом случае (& = 1416 МПа) не достигнут.
Испытания на усталость при поперечном изгибе в случае симметричного цикла образцов с надрезами и напрессованной втулкой проводились на машине УММ-01 [4], база испытаний - 3-106 циклов нагружения. Результаты определения предела выносливости а_1 представлены в таблице. Выстоявшие базу испытаний упрочненные образцы при напряжении, равном пределу выносливости, доводились до разрушения при большем напряжении.
Во всех упрочненных образцах были обнаружены нераспространяющиеся трещины усталости, средняя глубина /кр которых для каждой партии образцов представлена в таблице.
На рис. 4, 5 приведены фотографии изломов упрочненных образцов, на которых видны не-распространяющиеся трещины усталости 2 (рис. 4) и 1 (рис. 5),имеющие серповидную форму. Серповидная форма трещины обусловлена тем, что изгиб образцов при испытаниях на
усталость осуществлялся в одной плоскости. За критическую /кр принималась глубина трещины в наиболее удаленной от нейтральной оси точке опасного сечения образца.
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 а, мм
-1000 -------------------------------
Рис. 2. Осевые а2 остаточные напряжения в упрочненных образцах с надрезами
(------------Я = 0,3 мм;----------Я = 0,5 мм)
после: 1 - ПДО; 2 - ОР, Р = 0,5 кН; 3 - ОР, Р = 1,0 кН
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 а, мм
Рис. 3. Осевые остаточные напряжения в упрочненных образцах с надрезами Я = 1,0 мм после:1 - ПДО; 2 - ОР,
Р = 0,5 кН; 3 - ОР, Р = 1,0 кН
Следует отметить, что значения /кр хорошо согласуются с установленной ранее [5, 6] зависимостью
4р = 0,0216 • Б, (1)
где Б - диаметр опасного сечения упрочненного образца (детали) с концентратором напряжений.
Из данных таблицы видно, что с увеличением радиуса надреза приращение предела выносливости образцов за счет упрочнения снижается, так как уменьшаются сжимающие остаточные напряжения в их опасном сечении.
Поэтому для сохранения эффекта упрочнения при опережающем поверхностном пластическом деформировании с увеличением радиуса надреза необходимо увеличивать толщину слоя гладкой детали с сжимающими остаточными напряжениями.
Таблица 1
Результаты испытаний на усталость и определения остаточных напряжений
Концентра- тор Я, мм К а Неупроч. образцы а-1, МПа Упрочненные образцы
обработка МПа ^ 03 § * С Уа 'кр , мм а , ост 5 МПа Уа
надрез 0,3 2,7 107,5 ПДО 137,5 -343 0,087 0,540 -87 0,345
ОР, Р = 0,5 кН 165 -787 0,073 0,510 -171 0,336
ОР, Р = 1,0 кН 175 -908 0,074 0,520 -202 0,334
надрез 0,5 2,6 112,5 ПДО 130 -142 0,123 0,525 -52 0,337
ОР, Р = 0,5 кН 150 -349 0,107 0,530 -111 0,338
ОР, Р = 1,0 кН 172,5 -515 0,117 0,520 -169 0,355
надрез 1,0 2,2 112,5 ПДО 120 -46 0,163 0,490 -21 0,357
ОР, Р = 0,5 кН 130 -92 0,190 0,510 -46 0,380
ОР, Р = 1,0 кН 142,5 -145 0,207 0,495 -79 0,380
напрес. втулка 2,33 100 ОР, Р = 0,5 кН 150 -220 0,227 0,535 -148 0,338
ОР, Р = 1,0 кН 170 -210 0,235 0,540 -201 0,348
Рис. 4. Излом упрочненного ПДО образца диаметром 25 мм с надрезом Я = 0,5 мм:
1 - надрез, 2 - нераспространяющаяся трещина, 3 - зона долома
Рис. 5. Излом упрочненного ОР (Р = 1,0 кН) образца диаметром 25 мм с напрессованной втулкой: 1 - нераспространяющаяся трещина, 2 - зона долома
При практически одинаковых наибольших остаточных напряжениях и остаточных напряжений на поверхности гладких обкатанных роликом образцов большая глубина залегания сжимающих остаточных напряжений при Р = 1,0 кН, чем при Р = 0,5 кН, приводит к большему увеличению предела выносливости образцов с напрессованной втулкой. Результаты
испытаний на усталость указывают на то, что распределение сжимающих остаточных напряжений в поверхностно упрочненных деталях должно быть наиболее полным по толщине поверхностного слоя, равной критической глубине tкр нераспространяющейся трещины усталости.
Для оценки приращения предела выносливости Ао-1 за счет поверхностного упрочнения использовались два критерия влияния остаточных напряжений на предел выносливости при изгибе в случае симметричного цикла. Первым критерием [7, 8] являются осевые остаточные напряжения о™в на поверхности концентратора. Зависимость для определения приращения предела выносливости Ао-1 упрочненных образцов (деталей) в этом случае имеет вид
До- =у0|ап°в|, (2)
где - коэффициент влияния упрочнения по критерию 0™в на предел выносливости по разрушению.
Для определения второго критерия в работе [9] использовалось решение задачи [2] о дополнительных остаточных напряжениях в наименьшем сечении образца (детали) после нанесения на упрочненную поверхность надреза по-луэллиптического профиля. Выделив основную часть решения [2], был получен второй критерий Оост влияния упрочнения на предел выносливости образца (детали) в виде
, _2г аг(X)
:
(3)
где оДХ) - осевые остаточные напряжения в наименьшем сечении образца (детали), =
0
= а/^р - расстояние от дна концентратора до текущего слоя, выраженное в долях ^р, ^р - критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости, возникающей при работе образца (детали) на пределе выносливости.
Критерий оост, который в дальнейшем будем называть критерием среднеинтегральных остаточных напряжений, имеет четко выраженный физический смысл - это остаточное напряжение на дне нераспространяющейся трещины усталости с точностью до постоянного коэффициента, зависящего от радиуса у дна трещины и ее глубины. Приращение предела выносливости Ао-1 при изгибе в случае симметричного цикла с использованием критерия оост определяется по следующей формуле:
ДО-1 =Уо |0ост| , (4)
где уо - коэффициент влияния упрочнения по критерию оост на предел выносливости по разрушению.
Значения остаточных напряжений на поверхности концентраторов о™в и среднеинтегральных остаточных напряжений Оост приведены в таблице. По результатам испытаний на усталость неупрочненных и упрочненных образцов по формулам (2) и (4) вычислялись коэффициенты уо и уо , значения которых представлены в табл. 1. Из данных таблице можно видеть, что оценка влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости образцов по первому критерию - остаточным напряжениям на поверхности концентратора 0™в - приводит к
значительному рассеянию коэффициента ус. Этот коэффициент в настоящем исследовании изменяется в широких пределах - от 0,073 до
0,235, то есть более чем в три раза, что неприемлемо для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочненных деталей.
Оценка влияния поверхностного упрочнения по второму критерию - среднеинтегральным остаточным напряжениям оост - приводит к существенно меньшему рассеянию соответствующего коэффициента уо. Это объясняется тем, что критерий среднеинтегральных остаточных напряжений учитывает влияние на сопротивление усталости не только величины сжимающих остаточных напряжений, но и характера их распределения по толщине поверхностного слоя опасного сечения детали (образца). Коэффициент Уо в проведенном исследовании
изменяется от 0,334 до 0,380 и практически совпадает с значениями уо, вычисленными по следующей формуле, полученной на основании обработки большого количества экспериментальных данных [10]:
уо= 0,514 - 0,065^о, (5)
где к - эффективный коэффициент концентрации напряжений, значения которого определялись по справочным данным [11, 12] и представлены в таблице.
Таким образом, коэффициент уо, вычисленный с учетом степени концентрации напряжений по формуле (5), представляется возможным использовать для прогнозирования приращения предела выносливости поверхностно упрочненных деталей с концентраторами напряжений по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений Оост.
Необходимо отметить, что на значения коэффициентов уо и уо не оказывает влияние состояние материала на поверхности концентраторов. Из данных таблицы видно, что не наблюдается определенной зависимости между величинами коэффициентов уо, уо и наклепанным или ненаклепанным состоянием материала образцов.
ВЫВОДЫ
На предел выносливости поверхностно упрочненных образцов и деталей значительное влияние оказывает не только величина, но и характер распределения сжимающих остаточных напряжений в опасном сечении по толщине поверхностного слоя, равной критической глубине нераспространяющейся трещины усталости.
Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочненных образцов и деталей из стали 20 с надрезами и напрессованной втулкой по критерию остаточных напряжений на поверхности опасного сечения не представляется возможным, так как соответствующий коэффициент изменяется более чем в три раза.
Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочненных образцов и деталей из стали 20 с надрезами и напрессованной втулкой по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений с учетом степени концентрации напряжений дает приемлемые для практики результаты, так как соответствующий коэффициент уо изменяется в значительно меньших пределах.
Значения коэффициентов уо и уо не зависят от того, в каком состоянии находится материал на поверхности опасного сечения образцов и деталей - наклепанном или ненаклепанном.
С увеличением радиуса надреза при опережающем поверхностном пластическом деформировании необходимо увеличивать толщину поверхностного слоя с сжимающими остаточными напряжениями в опасном сечении образцов и деталей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванов С. И. К определению остаточных напряжений в цилиндре методом колец и полосок // Остаточные напряжения. Куйбышев: КуАИ, 1971. Вып. 53. С. 32-42.
2. Иванов С. И., Шатунов М. П., Пав-
лов В. Ф. Влияние остаточных напряжений на выносливость образцов с надрезом // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций. Куйбышев: КуАИ, 1974. Вып. 1. С. 88-95.
3. Радченко В. П., Павлов В. Ф. Наибольшая величина сжимающих остаточных напряжений при поверхностном упрочнении деталей // Прочность материалов и элементов конструкций: тр. МНТК. Киев: ИПП им. Г. С. Писаренко НАНУ, 2011.
С. 354-357.
4. Филатов Э. Я., Павловский В. Э. Универсальный комплекс машин для испытания материалов и конструкций на усталость. Киев: Наукова Думка, 1985. 92 с.
5. Павлов В. Ф. Влияние на предел выносливости величины и распределения остаточных напряжений в поверхностном слое детали с концентратором. Сообщение I. Сплошные детали // Известия вузов. Машиностроение. 1988. № 8. С. 22-25.
6. Павлов В. Ф., Кирпичев В. А., Иванов В. Б. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочненных деталей с концентраторами напряжений. Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2008. 64 с.
7. Иванов С. И., Павлов В. Ф. Влияние остаточных напряжений и наклёпа на усталостную прочность // Проблемы прочности. 1976. № 5. С. 25-27.
8. Серенсен С. В., Борисов С. П., Бородин Н. А. К вопросу об оценке сопротивления усталости поверхностно упрочненных образцов с учетом кинетики остаточной напряженности // Проблемы прочности. 1969. № 2. С. 3-7.
9. Павлов В.Ф. О связи остаточных напряжений и предела выносливости при изгибе в условиях концентрации напряжений // Известия вузов. Машиностроение. 1986. № 8. С. 29-32.
10. Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочненных деталей при различной степени концентрации напряжений / В. А. Кирпичев [и др.] // Прочность материалов и элементов конструкций: тр. МНТК. Киев: ИПП им. Г. С. Писаренко НАН Украины, 2011. С. 678-685.
11. Серенсен С. В. Когаев В. П. Шнейдеро-вич Р. М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. 488 с.
12. Петерсон Р. Е. Коэффициенты концентрации напряжений. М.: Мир, 1977. 304 с.
ОБ АВТОРАХ
Вакулюк Владимир Степанович, доц. каф. сопротивления материалов Самарск. гос. аэрокосмическ. ун-та им. акад. С. П. Королева. Канд. техн. наук. Иссл. в обл. механики деформируемых тел и конструкций.
Кирпичев Виктор Алексеевич, проф. той же каф. Д-р техн. наук. Иссл. в обл. механики деформируемых тел и конструкций.
Павлов Валентин Федорович, проф., зав. той же каф. Д-р техн. наук. Иссл. в обл. механики деформируемых тел и конструкций.
Сазанов Вячеслав Петрович, доц. той же каф. Канд. техн. наук. Иссл. в обл. механики деформируемых тел и конструкций.
